Регенеративный усилитель

Типичная частота следования УКИ составляет величину ~100 МГц, во многих приложениях не требуется такая большая частота повторения импульсов. Поэтому в данном приложении можно использовать регенеративный усилитель для значительного усиления ФС-импульсов, G до 10⁷. Регенеративное усиление – самый эффективный метод усиления. Регенеративный усилитель основан на том, что частота следования лазерных импульсов значительно уменьшается на выходе ЛУС, соответственно один лазерный импульс может распространиться на ЛУС большое количество раз до того, как придет следующий импульс.

Схема регенеративного ЛУС представлена на следующем рисунке:

Рис. 84

ФС-импульсы от задающего генератора, пройдя стретчер попадают на поляризатор П1. П1 и П2 такие поляризаторы, которые пропускают поляризованное излучение в одной плоскости и отражают, если плоскость поляризации перпендикулярна.

В качестве таких поляризаторов может выступать, например, призма Фуко

Лазерный импульс отражается от П1 и попадает на ЯП1. ЯП – это устройство, основанное на линейном элетрооптическом эффекте (эффект Покельса), который заключается в том, что под действием электрического поля можно поворачивать плоскость поляризации линейно поляризованного излучения на определенный угол, зависящий от величины электрического поля и длины электрооптического кристалла.

Если на ЯП1 не подать электрическое поле, то поляризация импульса не изменится и излучение отразится от П1 и не попадет в усилитель. Как только к ЯП1 приложено электрическое поле, т.е. подан управляющий сигнал, то плоскость поляризации излучения повернется на 90⁰ и лазерный импульс пройдет сквозь П1 и попадет в ЛУС. Это называется инжекция (ввод) импульса. Для того, чтобы из последовательности ФС-импульсов, генерируемых лазером, в резонаторе ЛУС оказался только один импульс, управляющий ячейкой Покельса, высоковольтный импульс должен быть короче, чем частота следования ФС-импульсов (как правило меньше 10 пс). При этом последующие ФС-импульсы не попадают в резонатор ЛУС, т.к. отражаются от П1.

Резонатор усилителя состоит из двух плоских зеркал З1 и З2 и двух сферических зеркал СЗ1 и СЗ2. Для снижения уровня накачки инверсию населенности получают в малом объеме, поэтому излучение накачки фокусируется с помощью объектива f и усиливаемое излучение фокусируется с помощью сферических зеркал. Грани АС так же как и в лазерах УКИ расположены под углом Брюстера.

Для накачки АС используют лазеры с модуляцией добротности и τ_имп~10-100 нс. Инжектированный импульс усиливается в резонаторе до достижения им насыщения, объема 20-30 проходов. После чего на ячейку Покельса ЯП2 подается соответствующий сигнал и плоскость поляризации импульса поворачивается на 90⁰ и импульс уже отражается от поляризатора П2 и выводится из ЛУС.

Оптическое параметрическое усиление (ора)

ОРА основано на трехволновом взаимодействии световых волн в квадратично-нелинейной среде.

Пусть в квадратично-нелинейной среде распространяется 3 волны:

- волна накачки ω_н,

- сигнальная волна ω_с,

- холостая волна ω_х,

Названия «сигнальная» и «холостая» волны являются условными. Если частоты и волновые векторы трех волн удовлетворяют условиям:

Таким образом нелинейные взаимодействия могут приводить к усилению сигнальный и холостой волны за счет перекачки в них части энергии волны накачки.

В последнее время широкое распространение в области усиления ФС-лазерных импульсов получило OPA.

Пусть нелинейная среда накачивается мощным излучением накачки с ω_н и в среду подается слабая волна с ω_с, которую необходимо усилить. В процессе нелинейного взаимодействия появится третья волна с ω_х или же «холостая» волна также может подаваться в среду.

Положим, что частоты и волновые вектора трех волн удовлетворяют условиям (синхронизма).

В итоге, амплитуды будут нарастать по мере распространения волн по нелинейному кристаллу. Это явление получило название – параметрическое усиления.

Если выполняются неравенства:

То амплитуду можно приближенно полагать постоянной. В этом случае говорят о приближении заданного поля накачки.

Рис. 85

При больших значениях приближение заданного поля накачки не выполняется и из-за закона сохранения энергии будет уменьшаться.

На следующем рисунке приведена схема мощного ФС-лазера с использованием ОРА (оптического параметрического усиления):

Рис. 86

Замена обычного ФС-задающего генератора волоконным является весьма целесообразным, в следствии:

- прочности

- надежности

- компактности

- дешевизны

Волоконных лазеров, особенно Er-лазеров с λ=1550 нм.

Волоконных лазеров, генерирующих в области 800 нм, не существует. Удвоение частоты излучения Er-лазера хотя и позволяет усиливать такие импульсы в Ti: сапфировых АС, однако это приводит к большим потерям, КПД удвоения ~10%. В то же время длины Er и Ti: сапфирового лазеров позволяют реализовать условия синхронизма при параметрическом усилении (OPA). В случае накачки второй гармоникой АИГ: Nd.

Первый каскад ОРА работает в режиме «усиление слабого сигнала»: большой G~2*10⁴, но малый η.

Второй каскад работает в режиме «усиление сильного сигнала»: малое G, но η большой ~25%-30%.

Система синхронизма нужна, чтобы импульсы накачки и входные импульсы «перекрывались» в кристалле в один и тот же момент времени.

Достоинства схем с ОРА по сравнению с традиционными:

- широкая полоса усиления до 1000 см^-1 при выполнении нелбходимых условий синхронизма, что позволяет усиливать импульсы с длительностью 10-30 фс

- значительное уменьшение тепловой нагрузки на усиливающий элемент (нелинейных кристалл)

- существенно уменьшенный уровень усиленного спонтанного излучения и результат высокий контраст мощных импульсов.

Недостатки:

- наличие схем синхронизации

- меньший КПД, чем для кристаллов Ti: сапфира.